CN115111464A - 含杂质超临界co2输送管道裂纹止裂控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管道裂纹止裂控制领域，公开了一种含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法，将新型外部止裂结构铺设在CO2输送管道的外表面、并沿轴向间隔布置；所述新型外部止裂结构从内向外依次包括第一绝缘层、纤维复合层、第二绝缘层、橡胶垫层和外层钢套止裂结构；所述第二绝缘层和橡胶垫层之间保持间隙。本发明方法采取内层为玻璃纤维复合止裂结构和外层为钢套止裂结构相结合的形式，可以使裂纹断裂驱动力和裂纹扩展速度降低，且可以使局部截面的材料断裂韧性得到提到，从而限制管道上裂纹的扩展，提前减少断裂发生的概率，实现止裂。
Description
技术领域
本发明涉及管道裂纹止裂控制领域，具体涉及一种含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法。
背景技术
在超临界CO2输送管道上裂纹扩展事故的特点，一般是裂纹一旦起裂，就以相对稳定的速度向前扩展，目前已经普遍认识到，这种引起裂纹扩展的起裂原因是无法完全预测的，而且事故的危害是非常严重的，因此，止裂措施被认为是控制这种事故发生的第二道防线。
外部止裂结构是指应用于管道上的一种装置，可以采取纤维复合材料和钢套材料相结合的形式，综合两者的优点，设计出新型止裂结构，CN207094070U公开了一种用于超临界CO2输送管道的止裂器，从超临界CO2输送管道的外表面由内向外依次为第一绝缘层、碳纤维布复合层、第二绝缘层、橡胶垫层和金属套层，该方案止裂器有利于降低裂纹驱动力，防止裂纹扩展，进行有效的止裂，也可以对管道进行修复、补强，起到使局部管道增强补强的作用。发明人在进一步研究过程中发现，该止裂器的性能有待进一步改进及加强。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法，将新型外部止裂结构铺设在CO2输送管道的外表面、并沿轴向间隔布置；所述新型外部止裂结构从内向外依次包括第一绝缘层、纤维复合层、第二绝缘层、橡胶垫层和外层钢套止裂结构；所述第二绝缘层和橡胶垫层之间保持间隙。
优选的，所述纤维复合层包括两层以上纤维布，每层纤维布的铺设角度要按照从外到内的顺序交替存在夹角。
优选的，所述外层钢套止裂结构包括两个结构相同且均为半圆形的上下套层，上下套层均设置有连接孔，通过螺孔将上下套层固定在一起，且上下套层的两端口均为坡口形状。
优选的，所述外层钢套止裂结构宽度为280～320mm，厚度为30～40mm。
优选的，所述外层钢套止裂结构材料为X80钢。
进一步优选的，所述纤维复合层包括两层、三层或四层纤维布。
优选的，所述纤维复合层为玻璃纤维复合层。
优选的，所述第二绝缘层和橡胶垫层之间的间隙宽度为1～2mm。
优选的，所述新型外部止裂结构轴向间隔布置的间距为300～800m。
优选的，所述夹角的范围为15°～45°。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明管道裂纹止裂控制方法采用的新型外部止裂结构可以降低裂纹扩展到止裂结构时的裂纹驱动力和裂纹扩展速度，提前减少管道发生断裂的概率且可以使局部截面的材料断裂韧性得到提到，从而限制管道上裂纹的扩展，提前减少断裂发生的概率，实现止裂。在受到运输、装卸、安装钢管过程中的机械损伤时，只产生局部的轻微韧性减弱，仍保持较高的抗拉强度和安全系数，而且可以避免疲劳、高温等因素对止裂结构效果的影响；同时能够满足易安装、自重轻、强度高、安装便捷、耐腐蚀等结构设计要求；而且也满足了经济性要求；可以同时满足综合成本较低，延长管道使用寿命的设计要求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是超临界CO2输送管道新型外部止裂结构的实施示意图；
图2是图1的A-A截面图；
图3为应力强度因子KI与外层钢套止裂结构宽度关系；
图4为应力强度因子KI和止裂系数f与外层钢套止裂结构厚度关系；
图5为玻璃纤维止裂结构不同层数的止裂效果；
图6为止裂结构间距对断裂成本的影响(示意图)；
图中标记：1为超临界CO2输送管道，2为第一绝缘层，3为玻璃纤维复合层，4为第二绝缘层，5为橡胶垫层，6为外层钢套止裂结构，7为螺孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
如图1～2所示，一种含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法，将新型外部止裂结构铺设在CO2输送管道1的外表面、并沿轴向间隔布置；所述新型外部止裂结构从内向外依次包括第一绝缘层2、玻璃纤维复合层3、第二绝缘层4、橡胶垫层5和外层钢套止裂结构6。通过内层包裹外层固定安装的形式把新型外部止裂结构沿轴向布置在管道的外侧，并保持一定的间隔，间隔约为300～800m；第二绝缘层和橡胶垫层之间保持间隙，间隙宽度约为1～2mm；且外层钢套止裂结构宽度为280～320mm，厚度为30～40mm，内层玻璃纤维止裂结构的层数为两层以上。从而使该外部止裂结构能够在一定程度上吸收断裂的能量，阻止断裂扩展。即使最后裂纹开裂穿透筒体，由于这个间隙的存在，一旦内部介质发生泄漏，由于复合纤维层和外层钢套止裂结构的阻力作用，也只能是“漏而不爆”。
具体操作时，首先在铺设玻璃纤维复合材料前，在管道外层铺设第一绝缘层，这样可以避免玻璃纤维和管道之间发生电偶腐蚀的可能性；然后在绝缘材料的基础上开始铺设高强度玻璃纤维复合材料，该部分主体由若干层渗透有玻璃纤维布胶粘剂的玻璃纤维布缠绕并固化成型得到，且所述每层强化玻璃纤维布的铺设角度要按照从上到下的顺序交替存在夹角，以此保持较好的抗拉方向，夹角的范围为15°～45°。夹角是在铺设时，纤维布铺层方向与受力方向之间的夹角，在裂缝处将纤维布对称、均匀地进行铺设，使其受力性能增强；然后在玻璃纤维复合材料的基础上再铺设第二绝缘层，从而避免止裂结构外层材料与玻璃纤维材料直接发生腐蚀的可能性；然后将橡胶垫层铺设在第二绝缘层和外层钢套材料之间，进而防止管道断裂时CO2的泄露，且具备良好的耐高低温性能，减少外层钢套止裂结构对玻璃纤维材料造成的摩擦损伤，进一步提升止裂结构的止裂效果；最后开始安装外层钢套止裂结构，该外层钢套止裂结构包括两个结构相同且均为半圆形的上下套层，上下套层均设置有连接孔，通过螺孔7将上下套层固定在一起，且上下套层的两端口均为坡口形状，这样可以使管道载荷均匀地分布在止裂结构上，避免环切现象的发生。该新型止裂结构适用于含杂质超临界CO2输送管道，能够有效地阻止管道延性裂纹的扩展，且可以实现管道延性断裂的快速止裂。
需要理解的是，图1是示意性的，尽管外部止裂结构的内外层都被描绘为圆形且尺寸相同，但出于该图的目的，这些止裂结构内层玻璃纤维可以具有不同的层数，外层钢套止裂结构可以具有不同的宽度和厚度等尺寸。且止裂结构与管道之间保留有效的间隙，并沿轴向安装在管道的外侧，且该示意图中只体现了一个止裂结构，其实在实际的长输管道中是需要多个止裂结构的，且不同的止裂结构之间要保持合适的间距。
本发明含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法已在涉及高断裂驱动力的全尺寸试验中得到评估并证明是有效的，它们已被应用于多条CO2和天然气管道上，其优势在于可以很容易地改装到现有的管道上。
采用ANSYS Workbench软件分别对不同厚度和宽度的外层钢套式止裂结构对含轴向裂纹管道的修复过程进行模拟，从而得到钢套式止裂结构的止裂效果规律。模型建立好之后，根据施加的载荷进行计算，设计厚度为18mm，初始宽度设为80mm，并以20mm为增量，得到不同钢套宽度的模拟结果，如图3所示。
由图3可得，在钢套宽度相同的情况下，外层钢套止裂结构采用结构钢的应力强度因子大于采用X80的应力强度因子，说明外层钢套止裂结构以X80为材料止裂性能更好；同时当外层钢套止裂结构宽度为300mm，应力强度因子出现最低点，且在此之后应力强度因子出现微小波动但差异不大，即当大于300mm后，再增加止裂器的宽度对止裂效果的改善不明显，因此本发明中的外层钢套止裂结构宽度选择范围为280～320mm，在1～2个管子直径之间。
对材质为X80、宽度为300mm的止裂器的不同厚度进行模拟。初始厚度设为10mm，并以5mm为增量，得到不同钢套厚度的模拟结果，如图4所示。
由图4可得，应力强度因子与止裂系数随着外层钢套止裂结构厚度的增加都呈下降的趋势，即止裂结构的性能随着厚度的增加而增强。当止裂结构厚度在10～30mm区间时，应力强度因子和止裂系数下降趋势较大；但当厚度大于30mm时，应力强度因子和止裂系数下降趋势减缓，即再增加厚度，止裂效果差别不大，因此本发明外层钢套止裂结构厚度在30～40mm区间较为合适。此外，在厚度上过度保守的做法一般是不可取的，因为止裂结构较厚会给管道施工带来麻烦并可能导致局部硬度僵化，在纵向弯曲时会产生不利影响。
同样采用ANSYS Workbench软件对本发明内层玻璃纤维复合止裂结构的止裂效果进行模拟分析，模拟过程将玻璃纤维材料逐层增加，研究其层数对止裂性能的影响规律，如图5所示。
由图5可得，应力强度因子与止裂系数随着内层玻璃纤维止裂结构层数的增加都呈下降的趋势，即玻璃纤维止裂结构的性能随着层数的增加而增强。安装第一层止裂结构时，应力强度因子下降幅度最大，安装第二层及第三层之后，应力强度因子以200左右的增量降低，安装第四层时，应力强度因子下降幅度减少，即安装前三层的止裂效果明显，第四层后的止裂效果逐步趋于稳定，因此本发明内层玻璃纤维止裂结构的层数应该在两层以上。
图6从经济方面对止裂结构间距进行了分析，该图主要通过这种仿真的方式分析止裂结构与断裂成本的关系，从而找到两者之间的平衡点。经济优化是在裂缝超过最小长度时的增量成本和安装额外止裂结构的成本之间找到一个平衡点。由于管道破裂，特别是对于新建管道来说，应该是极其罕见的事件，因此，这种计算有点仿真，但的确为止裂结构间距的选择提供了合理的依据。
由图6可得，安装成本和材料成本与止裂结构间距的变化无关，运行服务中断所导致的断裂成本和止裂结构呈正比关系，止裂结构安装总成本随着止裂结构间距的增加先快速降低后趋于平缓，断裂总成本随着止裂结构间距的增加快速降到最低值后开始缓慢增加。由此可知随着止裂结构间距的增加，会出现一个平衡点使总成本达到最低。使用上述经济分析方式确定的止裂结构在天然气和CO2管道上的间距从150m至3km的范围不等。因此从经济性的角度出发，本发明的新型外部止裂结构轴向间隔布置的间距为300～800m。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法，其特征在于，将新型外部止裂结构铺设在CO2输送管道的外表面、并沿轴向间隔布置；所述新型外部止裂结构从内向外依次包括第一绝缘层、纤维复合层、第二绝缘层、橡胶垫层和外层钢套止裂结构；所述第二绝缘层和橡胶垫层之间保持间隙。
2.根据权利要求1所述含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法，其特征在于，所述纤维复合层包括两层以上纤维布，每层纤维布的铺设角度要按照从上到下的顺序交替存在夹角。
3.根据权利要求1所述含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法，其特征在于，所述外层钢套止裂结构包括两个结构相同且均为半圆形的上下套层，上下套层均设置有连接孔，通过螺孔将上下套层固定在一起，且上下套层的两端口均为坡口形状。
4.根据权利要求1所述含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法，其特征在于，所述外层钢套止裂结构宽度为280～320mm，厚度为30～40mm。
5.根据权利要求1所述含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法，其特征在于，所述外层钢套止裂结构材料为X80钢。
6.根据权利要求1所述含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法，其特征在于，所述纤维复合层包括两层、三层或四层纤维布。
7.根据权利要求1所述含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法，其特征在于，所述纤维复合层为玻璃纤维复合层。
8.根据权利要求1所述含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法，其特征在于，所述第二绝缘层和橡胶垫层之间的间隙宽度为1～2mm。
9.根据权利要求1所述含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法，其特征在于，所述新型外部止裂结构轴向间隔布置的间距为300～800m。
10.根据权利要求2所述含杂质超临界CO2输送管道裂纹止裂控制方法，其特征在于，所述夹角的范围为15°～45°。
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